基于hypermesh的动车组空调冷凝框架结构强度分析

摘 要：本文对某型高速动车组客室空调机组的冷凝框架结构，在合理简化模型的基础上，采用hypermesh软件对其进行了有限元模型的建立，并依据EN12663标准确定了其载荷工况，完成了所有工况下的分析计算，结果表明所设计的结构满足强度要求。

关键词：高速动车组客室空调 冷凝框架 Hypermesh 强度分析

中图分类号：U266 文献标识码：A

引言

随着近年来我国高速铁路的快速发展，铁路客运在速度与舒适性方面得到了长足进步，其中车内空气环境对乘客旅途的舒适性影响巨大。动车组空调系统起到了至关重要的作用。空调系统的任一部件出现故障或不能正常工作，都会对车内环境造成不良影响，严重时甚至引起旅客的极度不适[1]。

空调机组的设计过程中，首先必须确保所有结构强度满足要求，使得机组在列车运行过程中不致损坏。由于空调机组结构的特殊性，本文设计了一种活动可拆卸的冷凝框架结构，并进行了结构强度校核，对结构的可靠性进行了验证。

Hypermesh是一个功能强大的前后处理平台[2]，能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型，具有各种不同的CAD软件接口，并且可实现不同有限元计算软件之间的模型转换。本文利用hypermesh的前后处理，对客室空调机组冷凝框架进行网格划分，添加边界条件，建立有限元模型，并通过radioss求解器进行有限元分析，以验证其强度满足设计要求，从而为设计提供理论参考。

一、冷凝框架强度分析计算

计算的冷凝框架为客室空调机组的一部分，用于压缩机与冷凝风机的安装，为方便部件安装，设计成可拆卸结构，整体由铆接和焊接而成。其中，两个压缩机分别通过安装底座与冷凝框架连接，冷凝电机通过安装板与冷凝框架连接，整个结构通过框架上部、底部的螺栓孔固定于空调机组上。冷凝框架作为制冷系统冷凝段部件的安装承载结构，若在列车远行过程中出现变形或损坏，可能会造成整个空调系统的故障，因此其结构强度至关重要，对设计完成的结构进行结构强度分析不可或缺。

（一）有限元模型建立

有限元模型采用三维模型导入再网格离散，本文采用proe格式的三维模型导入hypermesh10.0，进行适当的简化，去除对整体强度结构影响很小的部分连接钣金件。由于框架结构材料为3mm和2mm不锈钢板，长度和宽度远大于其材料厚度，故采用壳单元模拟，对整个结构抽取中面后，去除部分小孔、倒角、倒圆等细小特征，选用PSheel单元进行离散，单元为四边形和三角形混合形式。压缩机和冷凝风机分别简化为位于其质心位置的集中质量单元，集中质量单元与相应连接结构采用rigid单元刚性连接。铆钉采用连接单元bolt模拟，即在被连接部件的铆钉孔中心通过rigid单元建立刚性连接，两个刚性连接的中心主节点采用cbar单元连接。角焊缝的处理采用共用节点以及刚性单元连接的形式。此外，冷凝框架固定在空调机组上的螺栓孔位置采用固支约束，约束其上所有节点的平动和转动自由度。网格离散并建立连接单元最终得到的有限元模型共包括150960个单元和152991个节点。

（二）材料属性

冷凝框架结构主要部件的材料为AISI304不锈钢，弹性模量为210GPa，密度为7870 kg/m3，泊松比为0.28，屈服应力为230 MPa，极限应力为540 MPa，疲劳极限为162MPa。

（三）载荷工况

整个空调机组安装于高速列车顶部，列车运行坐标系X轴（相应于车辆纵向）的正方向是车辆运动方向，Y轴（相应于车辆横轴）在水平面内，Z轴（相对于车辆垂直轴）的正方向是向上。

空调机组各部件结构静载荷决定于结构自身质量以及机车起动、制动及正常行驶时的惯性力，根据相关标准[3]，结构载荷工况如下：X方向：±3×g，Y方向：±1×g，Z方向：（1±c）×g（车端时 c＝2，车体中部线性下降为c＝0.5）

其中：g为重力加速度，取g=9.810m/s2；c为垂向动荷系数，悬吊装置安装在车辆端部时取c=2，在车辆中部时取c=0.5，此处取c=1.65。按上述载荷施加将出现8种组合工况。

（四）强度计算结果分析

本文选取了三方向加速度全部为正和全部为负2种极端工况，即工况1：X方向：3g,Y方向：1g，Z方向：2.65g；工况2：X方向：-3g,Y方向：-1g，Z方向：-0.65g。分别施加后，有限元模型的求解在其自带的求解器radioss中完成，后处理在hyperview中实现。2种工况下冷凝框架结构应力分布云图如图1所示，

图1 冷凝框架应力分布云图

由分析结果可知，2种极端工况下冷凝框架结构的最大应力为197.4MPa。标准[3]要求最大计算应力需满足式（1）和式（2）。

（1） （2）

根据材料性能参数，其中，。

则，，由结果可知，设计的冷凝框架结构满足强度设计要求。

三、结论

本文通过有限元分析软件hypermesh，根据设计的某型高速动车组客室空调系统的冷凝框架结构特点，并利用软件的抽中面功能，把结构离散成能显著减小计算规模并且不影响精确性的壳单元模型。根据相关标准施加8种组合载荷工况并设定约束条件后，对模型进行了静强度校核，分析结果验证了所设计结构的可靠性，对结构以后的进一步改进优化具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 何涛，宁智，张华.动车组车内环境控制系统[M].北京：北京交通大学出版社，2012

[2] 于开平，周传月，谭惠丰等.Hypermesh从入门到精通[M].北京：科学出版社，2005

[3] EN 12663-1:2010铁路应用设施-铁路车辆车体的结构要求-机车和客用车